支持無線網絡傳感器的γOS操作系統(tǒng)若干關鍵軟件技術的研究和實現(xiàn).pdf

1、隨著普適計算技術的不斷發(fā)展，集傳感(sensing)、執(zhí)行(actuating)、計算(computing)和通信(communicating)能力于一身的無線網絡傳感器將會得到廣泛的應用。相對于傳統(tǒng)的計算設備，無線網絡傳感器具有小尺寸和低功耗、多樣化的設計和使用、有限的控制層次、健壯的運行要求和并發(fā)密集型操作等基本特性，這使得其上的系統(tǒng)軟件設計頗具挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)和編程模式并不能直接應用于無線網絡傳感器，這就需要我們研究和開發(fā)新

2、型的超微型嵌入式操作系統(tǒng)和編程模式來管理和操作這類設備。 本文以無線網絡傳感器系統(tǒng)在智能家居領域中的應用為背景，針對傳感器操作系統(tǒng)的若干關鍵軟件技術，包括支持無線網絡傳感器的超微型嵌入式操作系統(tǒng)內核技術、無線通信協(xié)議技術和系統(tǒng)編程語言技術，研究和設計了支持無線網絡傳感器的超微型嵌入式操作系統(tǒng)γOS。本文所做的工作和相關的創(chuàng)新點主要包括以下幾個方面： ●創(chuàng)新點1：提出和設計了支持無線網絡傳感器的γOS操作系統(tǒng)框架。在研究和

3、分析當前傳感器操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點的基礎上，針對無線網絡傳感器設計過程中的主要挑戰(zhàn)，提出了新的傳感器操作系統(tǒng)γOS的系統(tǒng)框架設計：γOS在系統(tǒng)編程語言AntC的支持下，通過可配置的組件化功能設計，實現(xiàn)了應用程序的微型化和集成化；γOS通過組件來劃分系統(tǒng)的功能，通過捆綁配置組件來組成應用程序，并利用自定義的組件模型，借鑒當今流行的類設計思想，提供了通用的接口模型設計，從而實現(xiàn)了組件代碼的高度可重用性；γOS通過基于事件和任務的微線程架構，實現(xiàn)

4、了簡單有效的運行方式，包括傳感器和環(huán)境的交互驅動，以及對并發(fā)操作的支持。 ●創(chuàng)新點2：提出和設計了支持實時任務容錯調度的γOS操作系統(tǒng)內核調度機制。研究和分析了無線網絡傳感器的任務模型，包括硬件模型、過程模型和任務集；提出了γOS核心調度組件中的支持優(yōu)先級劃分的分組任務調度機制，有效地區(qū)分調度實時任務和非實時任務；在該任務調度機制的基礎上，提出了對新加入任務的可調度性分析算法，該算法通過基于CPU利用率的分析方法和RM調度算法實

5、現(xiàn)；針對無線網絡傳感器操作系統(tǒng)的運行健壯性要求，提出了γOS核心調度組件的容錯調度機制，包括錯誤檢測、錯誤修復和可調度性分析機制。γOS核心調度組件的錯誤檢測和錯誤恢復功能基于主副版本容錯機制實現(xiàn)，可調度性分析則基于RM調度算法實現(xiàn)。 ●創(chuàng)新點3：提出和設計了支持傳感通信的γOSMAC層無線網絡協(xié)議ST-MAC。通過分析無線網絡傳感器在智能家居領域的應用特性，提出了γOS1MAC層的可靠無線網絡通信協(xié)議ST-MAC，包括數(shù)據(jù)包格

6、式定義、媒體訪問控制策略、網絡自適應策略、節(jié)能偵聽策略和時鐘同步策略等。ST-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)包格式定義基于主動消息機制；媒體訪問控制策略、網絡自適應策略和時鐘同步策略基于主從模式和TDMA機制實現(xiàn)；節(jié)能偵聽策略則利用TDMA機制的時間片劃分以減少節(jié)點偵聽時間，節(jié)約能量。實驗表明，ST-MAC在應用中取得了良好的效果，包括自適應的能耗控制，取得了較低的能量消耗；有效的媒體訪問控制，取得了相對較高的數(shù)據(jù)包傳輸成功率；公平的帶寬分配，解決了傳

7、感器網絡的公平性問題；可接受的自適應能力，以支持傳感器網絡的動態(tài)變化。 ●創(chuàng)新點4：提出和設計了支持γOS操作系統(tǒng)的系統(tǒng)編程語言AntC。為了實現(xiàn)γOS的設計理念，提出和設計了支持超微型嵌入式操作系統(tǒng)γOS的系統(tǒng)編程語言AntC。AntC直接支持γOS的組件模型、微線程系統(tǒng)架構、任務調度機制以及網絡通信機制。AntC的貢獻是：通過實現(xiàn)一個包含事件驅動執(zhí)行、彈性并發(fā)模型和面向組件程序設計等特征的編程模式，來滿足這個領域的程序設計的